[論文レビュー] The origin of the dead-layer at the La0.67Sr0.33MnO3/SrTiO3 interface and dead-layer reduction via interfacial engineering

Rui Peng, Han Xu+6 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2013

Magnetic and transport properties of perovskites and related materials参考文献 39被引用数 38

ひとこと要約

本研究では、界面電気双極子場によって誘発される内在的酸素空孔が、La0.67Sr0.33MnO3/SrTiO3異種接合におけるデッド層現象の根本的要因であると特定した。この現象は、超薄膜における強磁性および金属的性質の劣化を引き起こす。オゾン支援分子線エpitaxyを用いて界面におけるストランチウムドーピングを単原子層レベルで制御することで、酸素空孔を低減しデッド層を抑制した。その結果、6ユニットセルまで金属的性質を維持することができ、最小臨界厚さの新記録を樹立した。

ABSTRACT

Transition metal oxide hetero-structure has great potential for multifunctional devices. However, the degraded physical properties at interface, known as dead-layer behavior, present a main obstacle for device applications. Here we present the systematic study of the dead-layer behavior in La0.67Sr0.33MnO3 thin film grown on SrTiO3 substrate with ozone assisted molecular beam epitaxy. We found that the evolution of electric and magnetic properties as a function of thickness shows a remarkable resemblance to the phase diagram as a function of doping for bulk materials, providing compelling evidences of the hole depletion in near interface layers that causes dead-layer. Detailed electronic and surface structure studies indicate that the hole depletion is due to the intrinsic oxygen vacancy formation. Furthermore, we show that oxygen vacancies are partly caused by interfacial electric dipolar field, and thus by doping-engineering at the single-atomic-layer level, we demonstrate the dead-layer reduction in films with higher interfacial hole concentration.

研究の動機と目的

• La0.67Sr0.33MnO3/SrTiO3 (LSMO/STO) 異種接合におけるデッド層挙動の根本的起源を特定すること。
• 酸素空孔などの内在的欠陥が、ホールの欠損および強磁性および金属的性質の劣化を引き起こしているかどうかを特定すること。
• 原子層ドーピングによる界面工学が、酸素空孔の生成を抑制しデッド層効果を緩和できるかどうかを調査すること。
• 界面ポテンシャル差、酸素空孔生成、および超薄膜における観察された相転移を結びつける予測モデルを確立すること。

提案手法

• 高品質で化学 stoichiometric な LSMO薄膜を、TiO2終末の SrTiO3 サブストレート上に、原子層精度で成長させるために、オゾン支援分子線エpitaxy (OMBE) を用いた。
• 成長中に薄膜厚さおよび表面品質をモニタリング・キャリブレーションするために、インシチュウ反射高エネルギー電子線回折 (RHEED) およびX線反射率を用いた。
• 断面透過型電子顕微鏡 (TEM) により、超薄膜 (例：7 u.c. LSMO) のエpitaxial 順序および厚さが確認された。
• Mnの酸化状態およびO 2p–Mn 3d クロスバンド形成の分析にX線光電子分光法 (XPS) を用い、酸素空孔に起因する電子構造の変化を明らかにした。
• 全薄膜組成を一定に保ちながら、最初の数層 (x1) におけるストランチウム濃度を変化させることで、界面におけるストランチウムドーピングを原子層レベルで設計した。
• 界面ポテンシャル差と酸素空孔生成を結びつける単純なモデルを構築し、Curie 温度および抵抗率の実験的傾向によって妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 超薄膜 LSMO/STO 異種接合におけるデッド層挙動の原因は何か。特に、厚さが減少するに伴い強磁性および金属的性質が抑制される理由は何か。
• RQ2 酸素空孔がホール欠損およびそれに伴う電子的・磁気的性質の劣化にどの程度寄与しているか。
• RQ3 界面電気双極子場が、LSMO/STO界面で内在的酸素空孔の生成を誘発するか。
• RQ4 原子スケールでの界面スルスチウムドーピングの工学的制御によって、酸素空孔が低減され、超薄膜における金属的および強磁性性質が回復するか。
• RQ5 酸素空孔が顕著に低減されたにもかかわらず、なぜデッド層が依然として存在するのか。

主な発見

• LSMO/STO 異種接合におけるデッド層は、界面電気双極子場によって誘発される内在的酸素空孔に起因し、近接界面層におけるホール欠損を引き起こす。
• 超薄膜 LSMO 薄膜の相図は、ドーピング関数としてのバルク La1-xSrxMnO3 とよく一致しており、デッド層の主因がホール欠損であることを確認した。
• 最初の原子層で Sr ドーピングを (x1 = 0.83 または 1) 行うことで、酸素空孔が低減され、デッド層が抑制され、6ユニットセルまで金属的性質が維持された。
• 界面工学により、6.8 u.c. 薄膜で Curie 温度が最大54 K 上昇し、7 u.c. 薄膜で38.5 K 上昇した。これは強磁性の向上を示している。
• 低温抵抗率は、6.8 u.c. 薄膜で未加工状態の7.8%、9 u.c. 薄膜で78.8%にまで低下し、金属的性質の向上が確認された。
• 顕著な低減にもかかわらず、酸素空孔は依然として残存しており（元の水準の約70%）、O 2p–Mn 3d クロスバンドエネルギーが0.22 eVシフトしたことで裏付けられた。これは、6.3 u.c. 工程された薄膜における残留絶縁的挙動を説明している。